A wide-current range switched capacitor DC-DC converter utilizing frequency, interleaving and switch-size scaling techniques

Abstract

DA/DA çeviriciler bir sistemin ana bileşenlerinden biridir. Çip üzerindeki sistemlerdekianalog ve dijital alt modüller farklı besleme gerilimleri gerektirdiğinden, bir çok DA/DAçeviricileri ana giriş gerilim kaynağından her bir modüle besleme gerilimi sağlamak içinkullanıldı. DA/DA çeviricileri iki ana çeşide ayrılır; doğrusal ve anahtarlama regülatörü.Ana giriş gerilim kaynağı ve gerekli gerilim arasındaki fark arttıkça, doğrusal regülatörler yüksek kayıptan zarar görür ve anahtarlama regülatörleriyle kıyaslandığında sonuçolarak düşük verim elde edilir. Entegrasyon ana hedeflerden biri olduğu için; anahtarkapasitör DA/DA çeviricileri, regülatör temelli indüktör ile kıyaslandığında tercih edilir.Anahtar kapasitör DA/DA regülatörleri hacimli ve masraflı indüktörü tasfiye eder vesensör ağlarında, enerji üreticilerde ve biyosensörlerde kullanılmak kullanılmak üzere çipüzerine tamamen entegre edilebilir. Bu tezde, 3.3V giriş gerilimini direkt olarak beşfarklı çıkış gerilimine çevirebilen anahtar kapasitör DA/DA regülatörleri tanıtıldı. Çıkışakımının aralık değerini arttırmak, çıkış dalgalanmalarını azaltmak, tepki süresini arttırmak ve toplam maliyeti azaltmak için tasarım kısmında değişik tasarım tekniklerikullanıldı. Verimi arttırmak için, dönüştürücü frekansın, serpiştirmenin ve çıkış yüküce akım durumlarına yanıt veren geribesleme döngüsündeki anahtar boyutu ölçeklemetekniklerinin kombinasyonunu kullanır. Devrede dört fazlı saat üreteci, saat pergeli, yüksek hızlı dinamik komparatör ve karar verme birimi vardır. Çıkış dalgalanmalarını azaltmak için, komparatör 4 serpiştiriciyi ve frekans ölçeklendirmeyi kullanır. Dönüştürücüyüyüksek tepki hızı moduna çevirmek için bir karar verme devresi dahil edilmiştir. Çip üzerinde olmayan bileşenler tasarımın maliyetini azaltmak için çıkartılmıştır.

DC-DC converters are one of the main components of any system. Since analog anddigital sub-modules in SoC require different supply voltages, large number of DC-DCconverter are used to provide supply voltages for each module from the global inputvoltage source.DC-DC converters are divided into two main types; linear and switching regulators. Asthe drop between the global input source and required voltage increases, linear regulators suffer from high losses and consequently achieve low efficiency compared to switchingregulators. Since integration is one of the main objectives, switched capacitor DC-DCconverters are more preferable compared inductor based regulators. SC DC-DC regulators eliminate the bulky and costly inductor and can be integrated fully on-chip to beused in sensor networks, energy harvesters and bio-sensors.In this dissertation, a switched capacitor DC-DC converter, which can directly convertinput voltage of 3.3V to five different output voltages, is presented. Different designtechniques are used in the design to improve efficiency over a large output current range,reduce output ripple, increase response time and reduce the overall cost.To improve efficiency, the converter uses a combination of frequency, interleaving andswitch width scaling techniques in a feedback loop that respond to the output load andcurrent conditions. The loop consists of a four-phase clock generator, a clock divider,high speed dynamic comparators and a decision making unit. In order to reduce theoutput ripple, the converter uses four interleavers and frequency scaling. A decisionmaking circuit is included to switch the converter into high response speed mode. Offchip components were eliminated to minimize the cost of the design.